CN113608028A - 高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路、检测装置及监测方法 - Google Patents

高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路、检测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路、检测装置及监测方法，该检测电路包括测量电阻网络和电压测量电路；所述测量电阻网络包括依次串接在直流配电电源的正负极之间的第一可变电阻单元和第二可变电阻单元、与所述第一可变电阻单元并联连接的第一开关K1单元以及与所述第一可变电阻单元并联连接的第二开关单元；所述电压测量电路连接所述直流配电电源正、负极与地之间连接有的电压值的电压测量电路。当绝缘电阻发生变化时，可通过调节测量电阻网络的电阻值，使其实时跟踪绝缘电阻的变化，始终保持为绝缘电阻的2倍左右，既能保证测量电路不会降低整个系统绝缘水平，又能提高绝缘电阻监测精度。

Description

高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路、检测装置及监测 方法
技术领域
本发明涉及一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路、检测装置及监测方法。
背景技术
在低压直流配电系统中，特别在公路直流远距离供电系统中，由于线缆、变换器等工作条件比较恶劣，振动、腐蚀、温湿度变化等都可能造成线路及其他绝缘材料迅速老化甚至绝缘破损，危及人身及设备安全。
目前发电厂、变电站、电动汽车等场所直流系统的绝缘监测技术有多种方式，但都存在一些缺点，如继电器检测方式灵敏度低，平衡电桥法在正负极绝缘同时降低时不能准确及时报警，注入交流信号法不仅会使直流系统纹波增大，影响供电质量，而且系统的分布电容会直接影响测量结果，分辨率低。而电动汽车上常用的并入电阻多次测量方法，人为降低了直流系统的绝缘电阻，在测量过程中，容易造成安全隐患。此外，直流配电系统绝缘电阻变化范围非常大，从几十千欧至上百兆欧，当绝缘电阻发生变化时，监测精度就得不到保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路、检测装置及监测方法，以解决目前的监测手段在绝缘电阻发生变化时，监测精度就得不到保证的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路，其特征在于，包括测量电阻网络和电压测量电路；所述测量电阻网络包括依次串接在直流配电电源的正负极之间的第一可变电阻单元和第二可变电阻单元、与所述第一可变电阻单元并联连接的第一开关K1单元以及与所述第一可变电阻单元并联连接的第二开关单元；所述电压测量电路连接所述直流配电电源正、负极与地之间连接有的电压值的电压测量电路。
进一步地，所述第一可变电阻单元包括第一可变电阻器，所述第一开关K1单元包括与所述第一可变电阻器并联连接的第一开关K1。
进一步地，所述第一可变电阻单元包括第一可变电阻器和第一定值电阻组，所述第一定值电阻组包括若干不同电阻值的第一定值电阻，所述第一可变电阻器以及若干所述第一定值电阻串联连接；所述第一开关K1单元包括第一开关K1和第二开关组合，所述第一开关K1与所述第一可变电阻器并联连接，所述第一开关K1组合包括若干分别与第一电阻组中的各第一定值电阻并联连接的第二开关。
进一步地，所述第二可变电阻单元包括第二可变电阻器，所述第二开关单元包括与所述第二可变电阻器并联连接的第二开关。
进一步地，所所述第二可变电阻单元包括第二可变电阻器和第二定值电阻组，所述第二定值电阻组包括若干不同电阻值的第二定值电阻，所述第二可变电阻器以及若干所述第二定值电阻串联连接；所述第二开关单元包括第三开关和第四开关组合，所述第三开关与所述第一可变电阻器并联连接，所述第四开关组合包括若干分别与第二电阻组中的各第二定值电阻并联连接的第四开关。
进一步地，所述第一可变电阻单元与直流配电电源正极之间串联有串联连接的第五开关和第五电阻。
进一步地，所述第二可变电阻单元与直流配电电源负极之间串联有串联连接的第六开关和第六电阻。
本发明还提供了一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测装置，包括上述测量电阻网络和电压测量电路；所述测量电阻网络的输出端和电压测量电路的输出端分别与数据处理单元的输入端连接，所述数据处理单元的输出端与人机交互单元连接。
本发明还提供了一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测方法，该方法上述高精度直流配电系统绝缘电阻监测装置实现；
该方法包括以下步骤：
S1：断开第一开关K1单元和第二开关单元，然后采集直流配电电源正与地之间的电压值U+0和负极与地之间的电压值U-0，可得
Figure BDA0003244422760000031
S2：闭合第一开关K1单元，同时断开第二开关单元，然后采集直流配电电源正与地之间的电压值U+1、负极与地之间的电压值U-1以及第一可变电阻单元的电阻值Rt1，可得
Figure BDA0003244422760000032
S3：联立式(1)和(2)，计算得到直流配电电源正极对地绝缘电阻的电阻值R+和直流配电电源负极对地绝缘电阻的电阻值R-：
Figure BDA0003244422760000033
Figure BDA0003244422760000034
进一步地，所令直流配电电源正与地之间的电压值U+0、负极与地之间的电压值U-0、直流配电电源正与地之间的电压值U+1、负极与地之间的电压值U-1以及第一可变电阻单元的电阻值Rt1的误差分别为Eu+0、Eu-0、Eu+1、Eu-1、ERt1，根据误差绝对值合成原理，计算直流配电电源正极对地绝缘电阻的误差ER+和直流配电电源负极对地绝缘电阻的误差ER-分别为：
Figure BDA0003244422760000041
Figure BDA0003244422760000042
本发明的有益效果为：当绝缘电阻发生变化时，可通过调节测量电阻网络的电阻值，使其实时跟踪绝缘电阻的变化，始终保持为绝缘电阻的2倍左右，既能保证测量电路不会降低整个系统绝缘水平，又能提高绝缘电阻监测精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路的电路原理图。
图2为高精度直流配电系统绝缘电阻监测装置的原理框图。
具体实施方式
如图1所示的高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路，该监测电路包括测量电阻网络和电压测量电路；所述测量电阻网络包括依次串接在直流配电电源的正负极之间的第一可变电阻单元和第二可变电阻单元、与所述第一可变电阻单元并联连接的第一开关单元以及与所述第一可变电阻单元并联连接的第二开关单元；所述电压测量电路连接所述直流配电电源正、负极与地之间连接有的电压值的电压测量电路。
当绝缘电阻发生变化时，可通过调节测量电阻网络的电阻值，使其实时跟踪绝缘电阻的变化，始终保持为绝缘电阻的2倍左右，既能保证测量电路不会降低整个系统绝缘水平，又能提高绝缘电阻监测精度。当测量电阻大于一定值后，可视为对绝缘电阻没有影响，不需要无限制增加测量电阻值。
根据本申请的一个实施例，所述第一可变电阻单元包括第一可变电阻器R1，所述第一开关单元包括与所述第一可变电阻器R1并联连接的第一开关K1。当绝缘电阻发生变化时，通过调节测量电阻网络的电阻值，可使其实时跟踪绝缘电阻R+的变化，始终保持为绝缘电阻R+的2倍左右。其中，第一可变电阻器R1可采用数字电位器，数字电位器由数字输入控制，产生一个模拟量的输出。数字电位器采用数控方式调节电阻值的，具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长等显著优点。
根据本申请的一个实施例，所述第一可变电阻单元包括第一可变电阻器R1和第一定值电阻器组，所述第一定值电阻器组包括若干不同电阻值的第一定值电阻器(R2/R21/R22)，所述第一可变电阻器R1以及若干所述第一定值电阻器(R2/R21/R22)串联连接；所述第一开关单元包括第一开关K1和第二开关组合，所述第一开关K1与所述第一可变电阻器R1并联连接，所述第一开关K1组合包括若干分别与第一电阻组中的各第一定值电阻器并联连接的第二开关(K2/K21/K22)。该实施例通过采用定值电阻器+可调电阻的组合方式，然后通过调整开关组合和调节数字电位器，可便于调节测量电阻的电阻值，使其跟踪绝缘电阻R+。其中，第一可变电阻器R1可采用数字电位器，精度为0.2％，调节范围为0-100kΩ，调节总步数为1024步；第一定值电阻器(R2/R21/R22)可采用标准定值电阻器，精度采用0.1％高精度电阻，功率均为2W，第一开关K1和若干个第二开关(K2/K21/K22)均可采用继电器触点开关，可避免干扰。
根据本申请的一个实施例，所述第二可变电阻单元包括第二可变电阻器R3，所述第二开关单元包括与所述第二可变电阻器R3并联连接的第三开关K3。同理，当绝缘电阻发生变化时，通过调节测量电阻网络的电阻值，可使其实时跟踪绝缘电阻R-的变化，始终保持为绝缘电阻R-的2倍左右。其中，第一可变电阻器R1也可采用数字电位器。
根据本申请的一个实施例，所述第二可变电阻单元包括第二可变电阻器R3和第二定值电阻器组，所述第二定值电阻器组包括若干不同电阻值的第二定值电阻器(R4/R41/R42)，所述第二可变电阻器R3以及若干所述第二定值电阻器(R4/R41/R42)串联连接；所述第二开关单元包括第三开关K3和第四开关组合，所述第三开关K3与所述第一可变电阻器R1并联连接，所述第四开关组合包括若干分别与第二电阻组中的各第二定值电阻器(R4/R41/R42)并联连接的第四开关(K2/K21/K22)。同理，该实施例通过采用定值电阻器+可调电阻的组合方式，然后通过调整开关组合和调节数字电位器，可便于调节测量电阻的电阻值，使其跟踪绝缘电阻R-。
根据本申请的一个实施例，所述第一可变电阻单元与直流配电电源正极之间串联有串联连接的第五开关K5和第五电阻R5。通过设置第五开关K5和第五电阻R5可防止第一可变电阻单元的电阻为零时，出现短路的情况。
根据本申请的一个实施例，所述第二可变电阻单元与直流配电电源负极之间串联有串联连接的第六开关K6和第六电阻R6。通过设置第六开关K6和第六电阻R6可防止第五可变电阻单元的电阻为零时，出现短路的情况。
如图2所示，本发明还公开了一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测装置，其特征在于，包括上述测量电阻网络和电压测量电路；所述测量电阻网络的输出端和电压测量电路的输出端分别与数据处理单元的输入端连接，所述数据处理单元的输出端与人机交互单元连接。其中，数据处理单元可采用现有单片机；电压测量电路可采用依次连接的取样电路、滤波电路和光电隔离器，也可直接采用电压表等直接测量，所述取样电路分别与所述直流配电电源正、负极与地连接，所述光电隔离器的输出端与数据处理单元的输出端连接。其中，所述人机交互单元可包括分别与数据处理单元的输出端连接的声光报警器、触摸屏和通信接口。在数据处理单元监测到数据出现异常时，可通过声光报警器发出报警提示；触摸屏用于显示监测数据，以便于作用人员查看。通信接口可便于工作员拷贝相关监测数据或将监测数据发送到远程终端。
本发明还公开了一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测方法，该方法上述高精度直流配电系统绝缘电阻监测装置实现；
直流配电系统中，直流配电电压主要为240V、336V、±375V/750V、1000V、1500V等，采用单极性系统较多，双极性系统较少，采用IT接地系统较多。本绝缘电阻监测方法以单极性IT接地系统为例，对其他接地系统，绝缘监测方法类似；该监测方法具体包括以下步骤：
S1：断开第一开关K1单元和第二开关单元，然后采集直流配电电源正与地之间的电压值U+0和负极与地之间的电压值U-0，可得
Figure BDA0003244422760000071
S2：闭合第一开关K1单元，同时断开第二开关单元，然后采集直流配电电源正与地之间的电压值U+1、负极与地之间的电压值U-1以及第一可变电阻单元的电阻值Rt1，可得
Figure BDA0003244422760000072
S3：联立式(1)和(2)，计算得到直流配电电源正极对地绝缘电阻的电阻值R+和直流配电电源负极对地绝缘电阻的电阻值R-：
Figure BDA0003244422760000073
Figure BDA0003244422760000074
根据本申请的一个实施例，令直流配电电源正与地之间的电压值U+0、负极与地之间的电压值U-0、直流配电电源正与地之间的电压值U+1、负极与地之间的电压值U-1以及第一可变电阻单元的电阻值Rt1的误差分别为Eu+0、Eu-0、Eu+1、Eu-1、ERt1，根据误差绝对值合成原理，计算直流配电电源正极对地绝缘电阻的误差ER+和直流配电电源负极对地绝缘电阻的误差ER-分别为：
Figure BDA0003244422760000081
Figure BDA0003244422760000082
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路，其特征在于，包括测量电阻网络和电压测量电路；所述测量电阻网络包括依次串接在直流配电电源的正负极之间的第一可变电阻单元和第二可变电阻单元、与所述第一可变电阻单元并联连接的第一开关K1单元以及与所述第一可变电阻单元并联连接的第二开关单元；所述电压测量电路连接所述直流配电电源正、负极与地之间连接有的电压值的电压测量电路。
2.根据权利要求1所述的高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路，其特征在于，所述第一可变电阻单元包括第一可变电阻器，所述第一开关K1单元包括与所述第一可变电阻器并联连接的第一开关K1。
3.根据权利要求1所述的高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路，其特征在于，所述第一可变电阻单元包括第一可变电阻器和第一定值电阻组，所述第一定值电阻组包括若干不同电阻值的第一定值电阻，所述第一可变电阻器以及若干所述第一定值电阻串联连接；所述第一开关K1单元包括第一开关K1和第二开关组合，所述第一开关K1与所述第一可变电阻器并联连接，所述第一开关K1组合包括若干分别与第一电阻组中的各第一定值电阻并联连接的第二开关。
4.根据权利要求1所述的高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路，其特征在于，所述第二可变电阻单元包括第二可变电阻器，所述第二开关单元包括与所述第二可变电阻器并联连接的第二开关。
5.根据权利要求1所述的高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路，其特征在于，所述第二可变电阻单元包括第二可变电阻器和第二定值电阻组，所述第二定值电阻组包括若干不同电阻值的第二定值电阻，所述第二可变电阻器以及若干所述第二定值电阻串联连接；所述第二开关单元包括第三开关和第四开关组合，所述第三开关与所述第一可变电阻器并联连接，所述第四开关组合包括若干分别与第二电阻组中的各第二定值电阻并联连接的第四开关。
6.根据权利要求1-5任一所述的高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路，其特征在于，所述第一可变电阻单元与直流配电电源正极之间串联有串联连接的第五开关和第五电阻。
7.根据权利要求1-5任一所述的高精度直流配电系统绝缘电阻监测电路，其特征在于，所述第二可变电阻单元与直流配电电源负极之间串联有串联连接的第六开关和第六电阻。
8.一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测装置，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的测量电阻网络和电压测量电路；所述测量电阻网络的输出端和电压测量电路的输出端分别与数据处理单元的输入端连接，所述数据处理单元的输出端与人机交互单元连接。
9.一种高精度直流配电系统绝缘电阻监测方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-8任一所述的高精度直流配电系统绝缘电阻监测装置实现；
该方法包括以下步骤：
S1：断开第一开关K1单元和第二开关单元，然后采集直流配电电源正与地之间的电压值U+0和负极与地之间的电压值U-0，可得
Figure FDA0003244422750000021
S2：闭合第一开关K1单元，同时断开第二开关单元，然后采集直流配电电源正与地之间的电压值U+1、负极与地之间的电压值U-1以及第一可变电阻单元的电阻值Rt1，可得
Figure FDA0003244422750000022
S3：联立式(1)和(2)，计算得到直流配电电源正极对地绝缘电阻的电阻值R+和直流配电电源负极对地绝缘电阻的电阻值R-：
Figure FDA0003244422750000031
Figure FDA0003244422750000032
10.据权利要求9所述的高精度直流配电系统绝缘电阻监测方法，其特征在于，令直流配电电源正与地之间的电压值U+0、负极与地之间的电压值U-0、直流配电电源正与地之间的电压值U+1、负极与地之间的电压值U-1以及第一可变电阻单元的电阻值Rt1的误差分别为Eu+0、Eu-0、Eu+1、Eu-1、ERt1，根据误差绝对值合成原理，计算直流配电电源正极对地绝缘电阻的误差ER+和直流配电电源负极对地绝缘电阻的误差ER-分别为：
Figure FDA0003244422750000033
Figure FDA0003244422750000034
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